螺旋沉降離心機誕生于本世紀初，起初應用在化工領域，進行液-液分離、液-固分離或液-液-固分離；后來應用于煤炭行業處理浮選煤礦。50年代初期，國外開始將高速螺旋沉降離心機應用到石油鉆井中。高速螺旋沉降離心機用于處理加重泥漿，主要是降粘和回收加重材料，用于處理非加重泥漿，主要是清除有害固相。但是，在現場應用過程中，泥漿螺旋沉降離心機所配用的電控箱易燒毀，產生這種現象的根本原因是離心機轉鼓內部經常發生堵塞，螺旋輸送器輸渣困難。本文認為，這除了與現場應用不當外，還與離心機的結構設計有很大關系。泥漿作為一種特殊的介質，與其他行業中離心機所用介質有較大的不同。對于不同的地質構造、不同的機械鉆速和不同的泥漿體系，其粘度、密度、固相含量及其粒度分布是不同的；對于同一口井、同一種體系，隨井深的不同，上述泥漿參數也是不斷變化的；同時，泥漿密度、固相含量及其粒度分布還取決于振動篩、除砂器、除泥器及清潔器的使用狀況。以上這些特點，使得泥漿離心機較化工用離心機在結構參數和性能參數上將有所不同。因此，將螺旋沉降離心機應用到泥漿處理上，還有許多問題需要解決。雖然國外一些公司和研究單位對此進行過一些必要的探索，設計出了一些泥漿螺旋沉降離心機（簡稱泥漿離心機或離心機），但其理論研究資料甚少公開。國內目前對泥漿螺旋離心機的研制，仍然處于仿制階段，理論研究及室內實驗未見報道。

初步分析認為，要研制適合于鉆井現場的泥漿離心機，應從以下七個方面進行深入研究。

1 泥漿固相含量及其粒度分布

固相含量及其粒度分布是研制泥漿離心機的前提和基礎。由固相粒度分布可以確定離心機的合理的分離中點。固相粒度是計算泥漿離心機生產能力（即按懸浮液計的處理量）的基礎，直接涉及到泥漿離心機的分離因數的選擇。固相含量也是計算離心機生產能力（按沉渣計的處理量）的基礎，直接涉及到離心機的輸渣能力并影響整個離心機的處理量。

目前，國外對泥漿固相粒度分布進行了深入研究，加重劑重晶石粒度分布已有相應的API標準和實測結果。在國內，對泥漿固相粒度分布的研究還不充分，有關成果還不能代表國內所有區域的粒度分布情況，即不具有代表性。因此，應對國內泥漿固相含量及其粒度分布作系統的、全面的研究，為離心機的設計和使用提供 手資料。應重視以下幾項研究：

（1）未經任何凈化的泥漿，在不同的地層范圍、不同的機械鉆速下固相含量及其粒度分布。

（2）通過振動篩、除砂器、除泥器或清潔器等固控設備處理后泥漿固相含量及其粒度分布。

（3）對不同的油區、不同的地質構造進行上述兩項內容的測試研究。

（4）對不同的泥漿體系進行上述三項內容的測試研究。

對上述測試結果進行的分析研究，采用概率統計的方法，確定出典型的泥漿固相含量及其粒度分布曲線，為離心機的設計打下基礎。同時，這些測試研究結果，將為在不同地區、不同巖層、不同機械鉆速下使用離心機，提供合理、可靠的依據。

2 離心機轉鼓內流場的研究

離心機轉鼓內流場的研究對整個離心機轉速內的流體運動學和動力學具有重大意義。本文提供了離心機轉鼓內四種截然不同流動狀態的理論和計算生產能力的方法：

（1）活塞式流動狀態：假設轉鼓內的液體像“活塞式”地整體向前流動，鼓內液環在整個截面上的流速是均勻的，新進入轉鼓的液體將鼓內原有液體全部置換。依據這一理論，產生了按Σ理論計算生產能力的方法。

（2）層流流動狀態：假設液體在鼓內呈層狀流動。可利用納維-斯托克斯方程和連續性方程求解速度和壓力分布。依據這一理論，產生了按層流理論計算生產能力的方法。

（3）表面層流動狀態：假設轉鼓內的液體分主液層和表面層，主液層只隨轉鼓一道回轉并不流動，而表面層是在主液層上面快速流動的薄層流體。依據這一理論，產生了按表面層理論計算生產能力的方法。

（4）流線流動狀態：假設轉鼓內流體流動形成若干軸對稱流面，這些流面與轉鼓經線截面的交線為流線。依據這一理論，產生了按流線理論計算生產能力的方法。

應當指出的是，活塞流理論及流線流理論由于沒有考慮螺旋對流動狀態的影響，故其理論是比較粗糙的，其計算結果與實測值相差較大，必須由實驗對其進行校正；雖然層流理論考慮了螺旋的影響，但將轉鼓內的流動狀態用層流狀態來描述也是不恰當的；對于表面層流理論，已有專家進行過實驗研究，證明只有在很小流量下才成立。分別應用以上四種轉鼓內流體流動理論計算出的離心機生產能力是不相同的，有的與實際差別相當大。因此，對離心機轉鼓內的流場進行認真的理論探討和實驗研究是非常必要的。應盡可能找出一系列反映該流場的較為準確的計算公式，提出一種全新的理論，從而為離心機設計計算提供較為可靠的理論依據。

3 離心機性能參數的實驗研究

螺旋沉降離心機的設計是基于以上四種不同的理論假設而進行的，其計算結果的修正也是基于經驗公式或僅對某幾種特定介質的測試結果。而把這些理論和方法應用到泥漿離心機上，由于介質的改變，特別是對于不同的泥漿體系、不同的固相含量及其粒度分布，直接應用已有的公式進行計算，必然會產生過大的誤差。

目前，螺旋沉降離心機沉渣含渣量的計算還沒有一個通用的計算公式。而離心機沉渣含濕量對生產能力的影響是相當大的。沉渣的含濕量除與離心機的結構尺寸有關外，還與沉渣粒度分布、空隙率、液相表面張力、固液相相互作用及固相在脫水區停留時間有直接的關系。因此，通過對離心機的性能參數的實驗研究，有可能對某些計算公式的修正提出適合于泥漿離心機的新方法，同時為以后離心機的測繪放大設計提供可靠的依據。各種性能參數的實驗測試包括：

（1）不同粘度、不同密度、不同轉鼓轉速、不同差轉速下離心機的按沉渣計及按懸浮液計的生產能力，沉渣的含濕量。

（2）在第1項下，離心機的轉鼓功率及螺旋輸渣功率。

（3）在第1項下，固相清除率（即級效率）、固相回收率及固相粒度分布。

根據以上測試結果，還可以制定出離心機使用規則。

4 離心機幾何參數的優化設計

螺旋沉降離心機幾何結構參數和各種性能參數是相互關聯的。有些幾何參數具有相對的獨立性，有些幾何參數只給出取值范圍。因此，要提高離心機整體性能（包括經濟性、可靠性），就必須對整機的各種幾何參數進行優化設計。在優化設計中，必須考慮兩個特點：

（1）泥漿離心機與化工用離心機不同。

（2）在現場使用的凈化系統中，除泥器甚至除砂器的工作往往是不正常的。當除泥器不能正常工作時，泥漿固相含量迅速增高。因此設計重點是使離心機能夠在按懸浮液計具有較大生產能力的同時，按沉渣計具有更大的輸渣能力。這樣對輸渣用螺旋軸總成的優化設計就顯得尤為重要。

5 離心機轉鼓及螺旋葉片磨損機理的研究

離心機轉鼓與螺旋葉片的磨損主要取決于物料的性質，堅硬且形狀尖銳的顆粒對其磨損的程度是很大的。同時，離心機的結構參數對磨損也有很大的影響。從受力角度講，材料的磨損性主要取決于磨損面所受到的正壓力（P）和物料與磨損面之間相對滑動速度（V），用兩者的乘積PV值作為考察磨損性能的指標。因此，必須對轉鼓與螺旋葉片的磨損機理進行深入、細致的探討，從而找出合適的幾何結構參數及耐磨材料或者是提高材料耐磨性的方法。

6 離心機傳動裝置的研究

目前，國內外螺旋沉降離心機普遍使用的傳動裝置有雙電機皮帶傳動、單電機皮帶傳動（由行星齒輪差速器造成差轉速）、液壓驅動等。近年來，國內對傳動裝置的改進做過一些有益的嘗試。如西南石油學院曾將其改為鏈條傳動形式，由于鏈條壽命很低，不能滿足現場應用。勝利石油管理局鉆井工藝研究院于1994年初在大排量離心機上使用同步帶單電機傳動形式，結果也因整機振動大、同步帶壽命低而作罷。

應該講，使用同步帶和鏈條傳動形式，因其結構簡單、價格低廉而優于其它傳動形式。那么，為什么使用同步帶和鏈條傳動形式的試驗都未獲得成功呢？這就必須從轉鼓內液體的流動形式和輸渣形式上找原因。如果能從理論和實驗上找出主要影響因素，就有可能通過改變某些結構參數或工況而消除不利影響。如果同步帶或鏈條的傳動形式能夠成功地應用到離心機上，就可以取得巨大的經濟效益，因為傳動裝置的改變不僅僅局限于泥漿離心機，它對化工領域乃至其它領域內使用這種離心機也是一場變革。

7 現場用離心機的經濟性評價

在鉆井過程中，不同鉆井深度、不同地質構造、不同機械鉆速使得泥漿的粘度、密度及其固相含量和粒度分布不同，對泥漿性能要求不同，對泥漿離心機乃至其它固控設備的要求也不同。特別是離心機，若用于加重泥漿中，在降粘時，是用化學方法、水稀釋方法還是用離心機處理，需要進行技術經濟論證；同理，若用于非加重泥漿處理，是用水稀釋方法降低密度還是用離心機降低密度，也有一個經濟論證問題。因此，合理地評價各種固控設備的經濟性，對保證鉆井過程、節省鉆井費用是相當重要的。國外一些鉆井隊用計算機進行處理，決定是否開啟某些設備或關閉某些設備，其依據就是經濟性論證結構。

綜上所述，研制適合于我國國情的泥漿螺旋沉降離心機，還有大量的理論和實驗工作要做。隨著科學技術的發展，實驗和測試手段不斷完善，有可能從根本上弄清楚螺旋沉降離心機的許多理論和實際問題，并使這些結果應用到實踐中去，改善現有離心機的使用狀況并進而研制出高技術性能、高經濟效果的泥漿螺旋沉降離心機。